Machine Learning-Based Multi-UAV Deployment for Uplink Traffic Sizing and Offloading in Cellular Networks
- 1. American University in Cairo
- 2. Alexandria University
Description
Traffic offloading in cellular networks is considered an evolving application of unmanned aerial vehicles (UAVs).UAVs have attractive characteristics for this application, such as the ease of deployment, the relatively low cost and the line-of-sight signal propagation.This paper proposes a machine learning-based deployment of UAVs as temporary base stations (BSs) to complement cellular communication systems in times of excess traffic loads.In this role, the UAV is tasked with the proper sizing of the excess mixed traffic demands on the terrestrial BSs and the subsequent offloading of this traffic, given its different QoS requirements.We achieve this objective by optimizing the number of needed UAVs and their threedimensional (3D) positions.A traffic estimation technique based on the Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) model is utilized to estimate the mixed traffic demand.Our proposed machine-learning approach, based on the reinforcement learning (RL) methodology, aims to obtain real-time results close to the solution's optimal bound.Simulation results show that the proposed RL solution achieves its close-to-optimal real-time objectives.The proposed UAV deployment approach is also shown to clearly outperform a commonly used generic technique for UAVs deployment in such situations.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يعتبر تفريغ حركة المرور في الشبكات الخلوية تطبيقًا متطورًا للمركبات الجوية بدون طيار (UAVs). تتمتع الطائرات بدون طيار بخصائص جذابة لهذا التطبيق، مثل سهولة النشر والتكلفة المنخفضة نسبيًا وانتشار إشارة خط البصر. تقترح هذه الورقة نشرًا قائمًا على التعلم الآلي للطائرات بدون طيار كمحطات قاعدية مؤقتة (BSs) لاستكمال أنظمة الاتصالات الخلوية في أوقات الأحمال المرورية الزائدة. في هذا الدور، يتم تكليف الطائرات بدون طيار بالحجم المناسب لمتطلبات حركة المرور المختلطة الزائدة على BSs الأرضية والتفريغ اللاحق من هذه الحركة، نظرًا لمتطلبات جودة الخدمة المختلفة. نحقق هذا الهدف من خلال تحسين عدد الطائرات بدون طيار المطلوبة ومواقعها ثلاثية الأبعاد (3D). يتم استخدام تقنية تقدير حركة المرور بناءً على نموذج المتوسط المتحرك المتكامل الانحداري التلقائي (ARIMA) لتقدير الطلب على حركة المرور المختلطة. يهدف نهج التعلم الآلي المقترح، بناءً على منهجية التعلم المعزز (RL)، إلى الحصول على نتائج في الوقت الفعلي قريبة من الحد الأمثل للحل. تظهر نتائج المحاكاة أن حل RL المقترح يحقق أهدافه في الوقت الفعلي القريبة من الأمثل. يظهر نهج نشر الطائرات بدون طيار المقترح أيضًا بوضوح يتفوق على تقنية عامة شائعة الاستخدام لنشر الطائرات بدون طيار في مثل هذه الحالات.Translated Description (French)
Le déchargement du trafic dans les réseaux cellulaires est considéré comme une application évolutive des véhicules aériens sans pilote (UAV). Les UAV ont des caractéristiques attrayantes pour cette application, telles que la facilité de déploiement, le coût relativement faible et la propagation du signal en visibilité directe. Ce document propose un déploiement basé sur l'apprentissage automatique des UAV en tant que stations de base temporaires (BS) pour compléter les systèmes de communication cellulaire en période de surcharge de trafic. Dans ce rôle, l'UAV est chargé de la taille appropriée des demandes de trafic mixtes excessives sur les BS terrestres et du déchargement ultérieur de ce trafic, compte tenu de ses différentes exigences en matière de qualité de service. Nous atteignons cet objectif en optimisant le nombre d'UAV nécessaires et leurs positions tridimensionnelles (3D). Une technique d'estimation du trafic basée sur le modèle de moyenne mobile intégrée autorégressive (ARIMA) est utilisée pour estimer la demande de trafic mixte. Notre approche d'apprentissage automatique proposée, basée sur la méthodologie d'apprentissage par renforcement (RL), vise à obtenir des résultats en temps réel proches de la limite optimale de la solution. Les résultats de la simulation montrent que la solution RL proposée atteint ses objectifs en temps réel presque optimaux. L'approche de déploiement d'UAV proposée montre également clairement surpasser une technique générique couramment utilisée pour le déploiement d'UAV dans de telles situations.Translated Description (Spanish)
La descarga de tráfico en redes celulares se considera una aplicación evolutiva de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Los UAV tienen características atractivas para esta aplicación, como la facilidad de despliegue, el costo relativamente bajo y la propagación de señales de línea de visión. Este documento propone un despliegue basado en el aprendizaje automático de UAV como estaciones base temporales (BS) para complementar los sistemas de comunicación celular en momentos de exceso de carga de tráfico. En este papel, el UAV tiene la tarea de dimensionar adecuadamente el exceso de demandas de tráfico mixto en las BS terrestres y la posterior descarga de este tráfico, dados sus diferentes requisitos de QoS. Logramos este objetivo optimizando el número de UAV necesarios y sus posiciones tridimensionales (3D). Una técnica de estimación de tráfico basada en el modelo de media móvil integrada autorregresiva (ARIMA) se utiliza para estimar la demanda de tráfico mixto. Nuestro enfoque de aprendizaje automático propuesto, basado en la metodología de aprendizaje de refuerzo (RL), tiene como objetivo obtener resultados en tiempo real cercanos al límite óptimo de la solución. Los resultados de la simulación muestran que la solución de RL propuesta logra sus objetivos en tiempo real casi óptimos. El enfoque de despliegue de UAV propuesto también se muestra claramente superan una técnica genérica comúnmente utilizada para el despliegue de UAV en tales situaciones.Files
10176144.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:30bc53ad6e6d2a26f0037842d88d0c03
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- النشر متعدد الطائرات بدون طيار القائم على التعلم الآلي لتحجيم حركة المرور الصاعدة والتفريغ في الشبكات الخلوية
- Translated title (French)
- Déploiement multi-UAV basé sur l'apprentissage automatique pour le dimensionnement et le déchargement du trafic de liaison montante dans les réseaux cellulaires
- Translated title (Spanish)
- Despliegue de múltiples UAV basado en aprendizaje automático para dimensionamiento y descarga de tráfico de enlace ascendente en redes celulares
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4383503767
- DOI
- 10.1109/access.2023.3293148
References
- https://openalex.org/W1555566561
- https://openalex.org/W1976086748
- https://openalex.org/W2007532770
- https://openalex.org/W2152195021
- https://openalex.org/W2161291268
- https://openalex.org/W2784291237
- https://openalex.org/W2790256744
- https://openalex.org/W2810640960
- https://openalex.org/W2899320340
- https://openalex.org/W2908913483
- https://openalex.org/W2940785943
- https://openalex.org/W2963555336
- https://openalex.org/W2993631788
- https://openalex.org/W3000035286
- https://openalex.org/W3003335119
- https://openalex.org/W3013593665
- https://openalex.org/W3027592294
- https://openalex.org/W3037439805
- https://openalex.org/W3048682028
- https://openalex.org/W3097896433
- https://openalex.org/W3102880088
- https://openalex.org/W3135506433
- https://openalex.org/W3179018212
- https://openalex.org/W32403112
- https://openalex.org/W4214717370
- https://openalex.org/W4245599877
- https://openalex.org/W4285404531